专利名称：钛合金制叶轮机叶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及叶轮机叶片，特别涉及在燃气叶轮机或蒸汽叶轮机等中使用的要求有良好的耐锈蚀性及长期可靠性的叶轮机叶片。
背景技术：
由于蒸汽叶轮机等的最末级叶片因为叶片长度长而离心力变大，所以，常常使用重量轻的钛合金。另一方面，叶片长度长的叶轮机叶片因为叶片前端的圆周速度大，水滴等会以高速冲击，从而容易产生由锈蚀形成的磨耗损失。为此，对于在叶片长度长的叶轮机叶片中使用的材料，不仅要求有高的机械强度，而且还要求有良好的耐锈蚀性。为了提高耐锈蚀性，材料的硬度越高则越有利。但是，由于作为对于叶轮机叶片的另一个重要的机械性能的韧性，是与硬度相反的因素，所以现在还没有找到在保证所需韧性的同时又使耐锈蚀性有飞跃提高的材料。因此，现阶段采用的是在要求耐锈蚀性强的部分用焊接等赋予防锈蚀部件的方法、或对该部分进行表面处理来提高硬度的方法等。作为提高钛合金的表面硬度的方法，例如可列举表面氮化处理或喷丸硬化方法。 表面氮化处理具有可通过把表面区域的钛改性成氮化钛(TiN)而使表层数十微米显著硬化的优点，但因为硬化层的厚度薄而使得对抗因飞来物等造成缺损的能力弱，不能说长期可靠性是充分的。另外，在喷丸硬化方法中，虽然具有可使从表面到数百微米的深度硬化的优点，但有不能充分提高硬度的弱点。进而，为了保证叶轮机叶片充分的长期可靠性，认为需要更厚的硬化层。另一方面，近年来开发了以下技术通过把比被加工件更硬质的工具的头部强力压入被加工件并使其高速转动，由此时产生的摩擦热使头部附近的被加工件可塑化并搅拌流动，从而接合该部分的被加工件(摩擦搅拌接合)；或是，控制成使该部分的结晶粒径变小，从而提高被加工件的强度及硬度等(摩擦搅拌加工)。例如，在专利文献1 (日本特开2008-196020)中公开了摩擦搅拌加工件的制造方法，其以使用对镍合金表面注入氟离子进行表面处理的摩擦搅拌加工用工具、对钛或钛合金进行摩擦搅拌加工为特征。根据专利文献1，通过在由镍合金构成的摩擦搅拌加工用工具的表面注入氟离子进行表面处理，进行表面硬化而出现了高硬度，提高了耐磨损性，与现有技术的使用由钨铼合金构成的摩擦搅拌加工用工具的情况相比，可以廉价制造由钛或钛合金构成的摩擦搅拌加工件。在专利文献2(日本特开2002-24858 中公开了摩擦搅拌加工方法，其以在把被加工物在大气中或液体中接合或加工的摩擦搅拌加工方法中、在所述接合或加工过程中经常用非氧化性气体来排除接合部或加工部的大气或液体为特征。根据专利文献2，对于蒸汽叶轮机叶片的裂纹的修补，在叶轮机叶片的表面附近发生的裂纹缺陷可以由转动工具的转动按压、移动形成的被加工件的搅拌以及在被加工件上施加的压缩应力来去除。另外，也可以适用于锆合金、钛合金、镁合金等氧化性大的金属。先前技术文献
专利文献专利文献1 日本特开2008-196020号公报专利文献2 日本特开2002-248583号公报
发明内容
发明要解决的课题如上所述，摩擦搅拌加工(Friction Stir Processing :FSP)是在钛合金的表面改质方面特别有希望的方法。但是，FSP本身是发展中的技术，现阶段不明确的因素还很多， 有时会因被加工件的材料或形状而使得加工条件等有很大变化。即，存在所公开的现有技术不一定具有参考价值的问题。特别是在被加工物是叶片长度长的钛合金制叶轮机叶片的情况下，除了被加工物长之外，钛合金的杨氏模量低，故若单纯适用现有技术的FSP，则存在由加工形成的残余应力造成在叶轮机叶片上产生弯曲、或者反而容易产生裂纹这样的问题。因此，本发明的目的是给出关于对叶片长度长的钛合金制叶轮机叶片的摩擦搅拌加工的一个方针来解决上述的课题，提供使耐锈蚀性提高且长期可靠性高的钛合金制叶轮机叶片。用于解决课题的手段本发明的第一方面，为了达到上述目的，提供一种叶轮机叶片，该叶轮机叶片是作为基材由α-β型钛合金构成的叶轮机叶片，其特征在于，所述基材的平均维氏硬度为 320Ην以下，在所述叶轮机叶片的包括前缘的表面的一部分，形成有深度为0. 5mm以上且 3. Omm以下的摩擦搅拌加工区域，所述摩擦搅拌加工区域的平均维氏硬度为340Hv以上。另外，在本发明中，叶轮机叶片的前缘，是指当具备该叶轮机叶片的叶轮机转动时成为叶轮机转动方向前方的叶片的边缘。发明的效果根据本发明，可以给出关于对叶片长度长的钛合金制叶轮机叶片的摩擦搅拌加工的一个方针，其结果，可以提供具有优异的耐锈蚀性且长期可靠性高的钛合金制叶轮机叶片。
图1是表示对叶轮机叶片实施摩擦搅拌加工的施工例的模式图。图2是表示距表面的距离与维氏硬度的关系的一例的坐标图。图3是表示对叶轮机叶片实施摩擦搅拌加工的另一施工例的模式图。图4是表示距表面的距离与维氏硬度的关系的另一例的坐标图。
具体实施例方式如上所述，本发明的叶轮机叶片是作为基材由α-β型钛合金构成的叶轮机叶片，其特征在于，所述基材的平均维氏硬度为320Ην以下，在所述叶轮机叶片的包括前缘的表面的一部分，形成有深度为0. 5 3. Omm的摩擦搅拌加工区域，所述摩擦搅拌加工区域的平均维氏硬度为340Ην以上。
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另外，本发明在上述发明的叶轮机叶片中，可以进行以下的改进或变更。(1)所述叶轮机叶片的基材的一部分被切除，在该被切除的部位，通过摩擦搅拌接合而接合有平均维氏硬度比所述基材高的钛合金部件。(2)所述摩擦搅拌加工区域形成在被接合的所述钛合金部件上。(3)所述摩擦搅拌加工区域的平均维氏硬度为440Hv以上。以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，本发明不限于在此提出的实施方式，在不改变发明构思的范围内可进行适当的组合或改进。本发明的发明人等以提高使用α-β型钛合金(例如，Ti-6A1_4V合金64Ti合金)作为基材的叶轮机叶片的耐锈蚀性为目的，锐意研究了由FSP进行的表面处理技术。其结果发现，通过把FSP的加工深度控制在0. 5mm以上且3. Omm以下，即使是叶片长度长的叶轮机叶片，也不会在叶片上产生弯曲，可使表面区域硬化，且可以保证长期可靠性。用于叶轮机叶片的64Ti合金的维氏硬度通常在280 320Hv程度，但通过实施本发明的FSP的表面处理，可以使维氏硬度提高到350Hv程度以上。通过提高加工区域的硬度，可以提高耐锈蚀性。另外，优选的是，在实施了本发明的FSP的表面处理之后，实施用于修整表面形状的精加工。在FSP的加工深度(FSP区域的厚度)比0. 5mm浅的情况下，因为对抗因飞来物等引起的缺损的能力变弱，故不能说长期可靠性充分。另一方面，若FSP的加工深度超过3mm， 则由于韧性降低而导致裂纹容易进展，是不理想的。换言之，一旦产生裂纹，则容易进展到将叶片破损的裂纹长度，所以，使得长期可靠性降低。即，通过把FSP的加工深度(FSP区域的厚度)控制在0. 5mm以上且3. Omm以下，可以提供耐锈蚀性及长期可靠性良好的钛合金制叶轮机叶片。另外，在叶轮机叶片中，将锈蚀严重部分的基材切除一部分，在该切除的部位利用摩擦搅拌接合(Friction Stir Welding :FSW)接合平均维氏硬度比基材高的钛合金部件 (例如，比64Ti合金硬的β型Ti合金)，这对提高耐锈蚀性是有效的。另外，通过在接合后的硬的钛合金部件上实施本发明的FSP的表面处理，可以进一步提高加工区域的硬度。 由此，可以提供在进一步要求耐锈蚀性那样的严格环境下也可以使用的钛合金制叶轮机叶片。另外，上述的方法(切除基材的一部分，在该被切除的部位利用FSW接合钛合金部件的方法)作为修补叶轮机叶片的方法也是有效的。例如，切除由使用而损伤的部位，在该被切除的部位利用FSW接合β型Ti合金，根据需要实施FSP的表面处理即可。在锈蚀环境不严格的情况下，利用FSW接合与基材相同的64Ti合金，根据需要实施FSP的表面处理即可。以下，基于实施例更为具体地说明本发明，但本发明不限于此。实施例1表1表示作为用于实验的供试件的钛合金的公称组成。供试件1是α 型的 64Τ 合金，供试件2是β型的Ti合金。表 1表1供试件的公称组成(质量％ )
权利要求
1.一种叶轮机叶片，该叶轮机叶片是作为基材由α-β型钛合金构成的叶轮机叶片， 其特征在于，所述基材的平均维氏硬度为320Ην以下，在所述叶轮机叶片的包括前缘的表面的一部分，形成有深度为0. 5 3. Omm的摩擦搅拌加工区域，所述摩擦搅拌加工区域的平均维氏硬度为340Ην以上。
2.如权利要求1所述的叶轮机叶片，其特征在于，所述叶轮机叶片的基材的一部分被切除，在该被切除的部位，通过摩擦搅拌接合而接合有平均维氏硬度比所述基材高的钛合金部件。
3.如权利要求2所述的叶轮机叶片，其特征在于，所述摩擦搅拌加工区域形成在被接合的所述钛合金部件上。
4.如权利要求3所述的叶轮机叶片，其特征在于，所述摩擦搅拌加工区域的平均维氏硬度为440Ην以上。
全文摘要
本发明提供同时具备良好的耐锈蚀性和高的长期可靠性的钛合金制叶轮机叶片。本发明的叶轮机叶片是作为基材由α-β型钛合金构成的叶轮机叶片，所述基材的平均维氏硬度为320Hv以下，在所述叶轮机叶片的包括前缘的表面的一部分形成深度为0.5mm以上且3.0mm以下的摩擦搅拌加工区域，所述摩擦搅拌加工区域的平均维氏硬度为340Hv以上。
文档编号F01D5/28GK102562177SQ201110428658
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月20日 优先权日2010年12月27日
发明者今野晋也, 吉田武彦, 平野聪, 朴胜焕, 村田健一, 浅井邦夫, 鸭志田宏纪 申请人:株式会社日立制作所